探究永磁同步电机控制技术及其应用

探究永磁同步电机控制技术及其应用

杨威 ,池伟业

欧佩德伺服电机节能系统有限公司  529000 江门职业技术学院  529000

摘要：近年来，永磁同步电机逐渐在各个领域得到了广泛应用，日益成为人们生产和生活不可或缺的一部分。随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和钕铁硼永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以飞速的发展。本文主要探究了永磁同步电机的优势、控制技术及其应用。

关键词：永磁同步电机；优势；控制技术；应用

引言：当前国内能源问题日益紧张，而我国作为世界上最大的能源消费国，对节能设备及技术的研究一直给予较高的重视。而永磁同步电机在设计过程中传动系统更加小巧，不仅节约了能耗，还提升了15％以上的效率，显著改善了设备的稳定性。因此，对永磁同步电机的技术进行探讨，对推广和普及节能设备具有重要的意义。

一、永磁同步电机的优势

1、启动力矩较大

在电机运转过程中，力矩的大小直接决定了其性能表现。根据物理力学原理可知，当力矩越大时能够用更少的力做功；相反，若力矩较小在运转过程中就容易出现事倍功半的效果。在以往的电机设计中，技术人员往往更加注重做功能力而非效率，这就导致“大马拉小车”的现象十分普遍。针对这一问题，永磁同步电机在设计中则进行了优化，有效增大的启动力矩。在运行过程中一方面能够使设备性能得到释放，以最小的能耗来实现做功；另一方面在硬件成本上也削减了不少开支，并且减轻了后期运行维护的压力。

2、功率因数较高

在以往的生产中，大多数企业使用感应电机来做功，不仅稳定性得不到保障，而且还存在很多无功损耗。例如，在感应电机中为了给转子添加一个磁场，就必须向其中导入励磁电流。这种做法虽然能够提高电力系统的稳定性，但也无疑会造成能源的浪费。相比之下，永磁同步电机在设计中则不需要励磁电流。因此，在投产使用后设备的功率因数比以往更好，解决了高电阻造成的损耗。此外，在永磁电机中散热系统的设计也相对简单，风扇转动所消耗的能源也得到了有效的控制。根据行业调查结果显示，使用永磁同步电机所提高的功率因数能够超出其他类型产品10%。尤其是在轻载运行状态下，更是能够满足企业长周期使用的需求，为系统运行节约了不少的成本。

3、温升范围较小

由于在永磁电机的设计过程中对定子和转子做了特殊处理，因此这两个零部件损耗减少。这样就使得设备运作功率密度大幅度提高，能够达到同等体型设备的1.5倍左右。这就意味着要满足一定功率的生产需求，永磁电机设备只需要传统设备三分之二的大小。除此之外，永磁同步电机在运行中温升变化范围也较小。一般来说，设备通电运行的状态下会因电流过热产生升温，从而对元器件造成不同程度的影响。这个升温范围越大，则说明设备电力系统越不稳定，元器件所受到的损害也就越严重。而永磁同步电机设计中转子和定子都没有产生电流损耗，也就使得温升主要受到其它元件的分量影响。在这种运行状态下，电机设备的工况温度基本保持在较为稳定的区间内，运行的稳定性得到了保障。

二、永磁同步电机控制技术要点

1、确定功率与转矩

功率因数是衡量电力设备做功表现的指标，其主要与系统的负荷有着直接联系。若该参数取值较大，则说明设备对能源的利用率较高，节能表现就更优秀。相反，若这项参数的取值偏小，就意味着在设备中仍存在大量的无功损耗。因此，在设计过程中技术人员应该利用功率方程来进行严谨的计算，以具体的数值来直观地呈现设备的性能，给设计工作提供可靠的依据。若最终计算结果达不到电机性能的要求，则应该对部分元器件进行更换调整。例如，在永磁同步电机中对功率影响较大的主要为电阻设备，技术人员就要在保障设备正常工作的前提下，避免造成大量的浪费。此外，还需要对电机转矩进行确定。由于永磁电机的优点之一在于转矩较大，因此，在设计过程中也需要考虑到这个问题，根据绕组磁场和气隙磁场的具体情况来调整磁钢的大小。

2、定子的铁心外径

在永磁电机设计中，磁负荷与电负荷同样至关重要，设计人员应该同时兼顾这两个指标。而一般来说，永磁电机的气隙较大，永磁体的整体厚度也比传统设备大。因此，在设计过程中就应该充分发挥永磁体的作用，从而有效控制设备整体大小。这就需要计算好铁心外径的距离，从而形成一个完整的磁路。根据实际上生产的需求，若永磁电机的参数不同对外径长短的要求也是各不相同。技术人员应该根据永磁体厚度、转矩以及温升等参数将外径值表达出来，并利用仿真软件制作出可视化的图形。通常而言，随着转矩的变大，贴心外径也应该逐渐扩大，但并不满足正比例关系。具体的取值仍然需要利用计算公式来导出，从而更精确的实现元器件的设计。

3、牵引电机设计

由于永磁同步牵引电机采用了永磁体，无励磁电流，定子铜耗相对较小，转子无铜耗，电机效率高，可以显著提高功率因数，且永磁电机可做成全封闭结构，功率密度更大。因此，与异步牵引电机相比，永磁同步电机具有功率因数高、效率高、转速平稳、过载能力强及无齿轮箱直驱等优势。但永磁体有失磁现象，因此，预防永磁体失磁对永磁同步电机设计尤为重要，目前采取的主要措施：（1）通过短路失磁分析，在三相短路情况下，定子绕组能够抗住短路电流的冲击，并对永磁体无影响。（2）通过对永磁体温度失磁分析，选取耐高温、低温度系数的永磁材料，以避免发生因高温引起的永磁体失磁现象，同时合理设计全封闭结构电机散热系统，采用全叠片方形机座，两端端盖、机座构成通风冷却风路，对电机内部密封，外部强迫通风，满足快速散热要求。（3）选用小型化永磁体拼接式结构，可抑制涡流损耗，方便装配，降低失磁风险。

三、永磁同步电机技术的应用

（1）大功率化方向研究，主要适用于新能源汽车、列车、机器人、电梯等对大功率要求的机械设备。

（2）高速化功能应用。由于永磁同步电机不需要励磁绕组，结构简单，在追求高速方面有其优势，在该电机技术成熟后，该功能可应用于航空设备方面。

（3）由于永磁同步电机所用材料有耐高温的特性，且体积轻，所以其电机可以适应高温、真空等特殊环境需求。故其在宇航设备的机械中应用的潜力非常大，也是未来技术研究的一个重要方向。

（4）永磁同步电机体积轻盈、噪音低、寿命长的特征非常适合医疗微型机器、手术用机器人等，所以，对医疗设备方面的应用也是该电机的技术研究的延伸方向。

永磁同步电机设计技术的关键和难点在于确定电机的尺寸和磁路结构、估算永磁体的体积、设定定子、转子于冲片和绕组的数据，制定符合电机性能指标的电磁设计方案。目前，在永磁同步电机的设计和数据分析方面已投入大量的人力物力，并取得一定成果，但是永磁同步电机仍然存在一定的技术瓶颈亟待解决，比如，在最大转矩受永磁体的去磁约束，其抗震能力差，高转速受限制，应用成本高等等。要解决这些问题，实现永磁同步电机技术的广泛应用，还需要国家政策的大力支持和科研经费的大量投入。

四、结束语

综上所述，随着电机技术的日益成熟和稀土资源的开发，永磁同步电机在近些年相继取得了重大突破。为了促进这项技术的普及，业界应该明确永磁同步电机的特点与应用优势，同时在设计工作中，严格控制好功率因数、铁心外径以及牵引电机设计，不断优化电机设计水平，提高其应用范围。

参考文献

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